Granice konsystencji

Granice konsystencji gruntów spoistych (ang. Atterberg limits) w mechanice gruntów, parametry klasyfikacyjne gruntów spoistych oparte na zawartości wody, przy której grunt przechodzi z jednego stanu konsystencji w drugi i obejmujące:

  • granicę skurczalności wS (ang. shrinkage limit SL), wilgotność, przy której grunt spoisty przechodzi ze stanu półzwartego (ang. semi-solid consistency) w zwarty (ang. solid consistency)
  • granicę plastyczności wP (ang. plastic limit PL), wilgotność (wskaźnik plastyczności IL = 0,0), przy której grunt spoisty przechodzi ze stanu twardoplastycznego w półzwarty, oznacza to, że grunt, którego wilgotność spadnie poniżej tej wartości podczas jego modelowania (ugniatania) przestaje zachowywać w sposób plastyczny a zaczyna się kruszyć.
  • granicę płynności wL (ang. liquid limit LL), wilgotność przy (wskaźnik plastyczności IL = 1,0), której grunt spoisty przechodzi ze stanu miękkoplastycznego w płynny (ang. liquid consistency), oznacza to, że grunt, którego wilgotność spadnie poniżej tej wartości podczas jego modelowania (ugniatania) przestaje zachowywać w sposób płynny i nie stawia już więcej oporu (empirycznie wyznaczono jego wytrzymałość na ścinanie spada do około 2 - 5 kPa)

Granica plastyczności i płynności zostały wprowadzone przez szwedzkiego chemika Alberta Atterberga w 1911 roku w celu ilościowego opisu empirycznych własności mechanicznych iłów. Atterberg zajmował się badaniem iłów na potrzeby ceramiki i jako pierwszy także określił średnicę frakcji ilastej na poniżej 0,002 mm. W 1925 roku Karl Terzaghi potwierdził niezwykłą skuteczność tych parametrów w klasyfikowaniu gruntów spoistych. W roku 1932, metoda badań została usystematyzowana przez Arthura Casagrange. Granica płynności wyznaczana jest laboratoryjnie (aparat Casagrande'a lub stożek Wasiliewa). Granica plastyczności jest wyznaczana przez wałeczkowanie i jest to wilgotność, przy której pojawiają się pęknięcia w wałeczku o średnicy średnicy 3 mm (grunt uzyskuje konsystencję twardoplastyczną).

Konsystencja gruntu określa jego cechy mechaniczne. Ogólnie im wyższa zawartość wody tym niższa spójność gruntu a więc także jego wytrzymałość na ścinanie. Przykładowo grunty, które znajdują się na granicy twardoplastycznego i półzwartego, tzn granicy plastyczności odpowiadają średnim wartościom wytrzymałości na ścinanie w okolicach 150 kPa. Gdy wilgotność osiąga wartość równą granicy płynności siły spójności są bliskie zeru (<20 kPa). Na położenie granic konsystencji wpływ ma uziarnienie, zawartość minerałów ilastych i skład chemiczny gruntu.

Granice konsystencji definiują wskaźnik plastyczności IP (ang. plasticity index) to różnica pomiędzy granicą płynności i plastyczności: IP = wL - wP, czyli rozpiętość zakresu wilgotności, przy której grunt zachowuje się w sposób plastyczny. Wskaźnik plastyczności pośrednio wskazuje na zawartość minerałów ilastych i dlatego może być stosowany do określania podatności gruntu na pęcznienie.

  • Ip = 0% - Grunt niespoisty
  • Ip = 1 - 10% - Grunt mało spoisty (w brytyjskiej klasyfikacji Ip = 1 - 10% - low plasticity)
  • Ip = 10 - 20% - Grunt średnio spoisty (ang. medium plasticity)
  • Ip = 20 - 30% - Grunt zwięzło spoisty (w brytyjskiej klasyfikacji Ip = 20 - 40% - high plasticity)
  • Ip >30% Grunt bardzo spoisty (w brytyjskiej klasyfikacji Ip >40% - very high plasticity)

Stopień plastyczności IL (ang. liquidity index) wyznacza konsystencję gruntu i jest to stosunek różnicy pomiędzy wilgotnością naturalną gruntu a granicą plastyczności do jego wskaźnika plastyczności:

IL = (w - wP)/IP lub IL = (w - wP)/(wL - wP).

konsystencje.GIF

Rysunek poniżej przedstawia stany konsystencji i wyznaczające je wartości graniczne stopnia plastyczności (granice konsystencji). Przybliżone wartości wytrzymałości na ścinanie (bez drenażu) według Norm Europejskich dla konsystencji są następujące: grunty w stanie miękkoplastycznym 20 do 40 kPa, plastycznym 40 do 75 kPa, twardoplastycznym 75 - 150 kPa oraz półzwarty i zwarty powyżej 150 kPa.

Literatura:

Casagrande, A. 1932. Research on the Atterberg Limits of Soils, Public Roads 12
Glinicki, S. P. 1990. Geotechnika budowlana. Skrypt Politechniki Białostockiej dostępny dzięki Podlaskiej Bibliotece Cyfrowej
Koloski, J.W., Schwarz, S.D., Tubbs, D.W. 1989. Geotechnical Properties of Geologic Materials. Washington Division of Geology and Earth Resources Bulletin 78
Schofield, A.N., Wroth, C.P. 1968. Critical State Soil Mechanics, Chapter 8: Laboratory testing. McGraw-Hill dostępne dzięki Geotechnique.info
Waltham, T., 2002. Foundations of Engineering Geology, Spon Press